《装备制造技术｝２０１４年第８期 风机吊装平台结构设计及其关键构件强度分析 鲍习飞’，崔新维 （１．农业大学机械交通学院，乌鲁木齐８３００５２； ２．北京三力新能科技有限公司，北京摘１００１７６） 要：风电机组寿命周期一般为２Ｏ至２５年，机组部件随时间不断老化，构件故障的概率逐渐增大，当机组进行部件 更换或功能升级时，吊装工作不可或缺。基于有限元分析理论，采用连杆机构设计风机吊装平台，对于后期风机部件更 换、功能升级，降低后期维护、改造成本，具有重要意义。 关键词：风机；吊装平台；有限元分析；强度分析 中图分类号：Ｕ６６１．４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ６７２—５４５Ｘ（２０１ ４）０８—０１ ６７—０２ 国外现已逐步进人风电机组部件更换、改造或 同时，吊装装置设计应满足以下要求：吊装侧安 升级换代的过程。如维斯塔斯设计的汽车吊式简易 全距离１．５ ｍ；吊臂离机舱壁的安全距离为Ｏ．５ ｍ；满 吊装平台已经实现机组重要部件的吊装工作；三菱 足吊装的行程要求，如图１中起吊位置一停吊位置； 重工在不更换机组主要部件的情况下，仅通过更换 机构在运行过程中，各杆件之间不干涉。 发电机，即可实现发电功率从２．０ ＭＷ到２．４ ＭＷ的 提升【１］。通过吊装平台，完成机组损坏部件的更换，相 比超大型起重机，操作简便，经济效果显著。 目前，我国风机吊装平台发展处于起步阶段，风 电机组装机容量不断增大，风电行业经过将近ｌＯ年 的飞速发展 ，运行维护或者机组升级工作会Ｅｔ趋增 多，据统计，增速齿轮箱是风力发电机故障率最高的 部件，有的风场其损坏率高达４０％～５０％团。本文研 究风机简易吊装平台，工程实际意义明显。 图１ 吊装平台机构分析 图２吊臂三维模型 根据机舱外廓尺寸和吊装机构的设计要求确定 了如图１所示的风电机组简易吊装装置结构布局， 起吊位置是机构左侧的极限位置，右侧的停掉位置 是机构右侧的极限位置，机舱顶部的虚线是吊装过 １ 吊装平台结构设计及理论分析 １．１吊装平台原理分析及建模 程中的安全高度，其值为１．５ ｍ。从图１中可知：吊臂 运行的极限位置夹角是８１。，导杆（动力构件）的动 本文吊装平台设计初定适用对象为某型号２．０ 力输出的角度变化是６２。，根据图１所示，基于导杆 ＭＷ双馈风电机组，其机舱尺寸和塔顶直径等参数如 机构的机械原理设计的吊装机构，能实现基本的运 下表１所示。 表１ 吊装机构基本设计参数 项目 机舱 塔简直径 齿轮箱外廓 传动轴 安全高度 安全边跬 Ｌ５ Ｏ．５ 寸（ｍ） ６ ｘ ３．Ｏ Ｘ ２．５ ２．４顶 ０．８ｘ１．２ ｘ１．２ ２ｘ ０．５ｘ ０．５ 行要求和安全边界要求。 基于桁架理论，针对图１所示的机构原理，已经 确定的相关位置尺寸和吊臂需要承重的要求，在三 维ＣＡＤ软件建立吊臂模型，如图２所示。对模型进 （长Ｘ宽×高） ４．０底 量（ｔ） １Ｏ３．Ｏ （长Ｘ宽Ｘ高） （长Ｘ宽×高） ２０．Ｏ ６．Ｏ 行力学分析发现，吊臂主要承受弯矩的作用，故本文 根据导杆机构的基本设计原理（公式１）和设计 在建模过程中采用抗弯、抗压性能良好的空心方钢 方法分别确定机构固定铰链的位置。 进行设计，一方面保证了力学性能要求，另一方面降 ８０。 收稿日期：２０１４—０５—０５ （１） 低了吊臂的自重。 作者简介：鲍习飞（１９８８一）男，安徽安庆人，工学学士，农业大学在读硕士，从事机械设计及理论，风力发电工程与技术工作。 １６７ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．８，２０１４ ２吊装平台关键部件强度分析 ２．１工况设定 ２．１．１影响因素分析 （１）风速 风速对设备吊装产生的影响最大，由于悬空的物 体只受重力作用，无风状态下，物体垂直上升；但是， 在有风的情况下，物体受风面将承受风压作用，导致 （ａ）吊臂屈服强度分析结果（ｂ）吊臂综合位移分析结果（ｃ）吊臂综合应变分析结果 起吊过程中偏离竖直的方向，引起物体碰撞，产生安 全隐患，本文在设计过程中根据起吊物体的重量和受 图３吊臂力学性能仿真 从图３可知，吊臂构件的最大屈服强度值为 １９４．３３ ＭＰａ，小于材料自身２２０ ＭＰａ的屈服强度，结 风面积，确定在风速大于８ ｍ／ｓ时，停止起吊工作。 果强度满足实际工作的需求；臂构件在最大承重荷 （２）重力 载时的综合位移为５．２７ ｍｍ，表明构件在工作中具有 重力是起吊物体过程中最大的反力源，重力大小 足够的结构刚度，以保证吊装过程的稳定性要求；吊 确定了起吊装置的结构形式和强度。本文设计的起吊 臂构件的综合应变值很小，承力时应力对构件形状 装置，主要起吊设备的尺寸及重量在表１中给出。 产生的影响不影响结构的正常使用。 ２．１．２工况组合 起吊过程中，有如下几种工况：无风、微风、短时 ３结束语 阵风和持续中风几种情况，本文在进行吊臂结构仿 真过程中，只考虑极限工况，即持续中风（８ ｍ／ｓ）最大 本文设计了吊装平台机构，该机构能够实现不 起重重量工况。 同位置关键部件的吊装需求，平台的关键构件强度 ２．２吊臂有限元仿真分析 能够满足１．５ ＭＷ双馈风电机组发电机、齿轮箱和主 轴等重要零部件的吊装工作。相比传统的超大型起 ２＿２Ｉ１模型线性化 改平台具有组装便捷，灵活性好，风电场后 本文在三维设计软件中建立了吊臂的三维实体 重机设备，工程实际应用意义明显。 模型，如图２所示，并在有限元分析软件中对该模型 期运行维护成本低等优势，进行了基于“四面体”微元的有限元网格划分，实现 参考文献： 模型的线性化处理。 ［１］闫凌宇．国内风电产业概况和存在问题的初步分析【Ｊ］＿电器 结果表明，设计过程中采用的“四面体”微元能 工业，２００８（８）：１２—１４． 够表征吊臂的受力特征。即：在构件截面突变处，重 【２］姚震球，韩强．海上风机吊装运输船及其吊装方式的研究 概况【Ｊ］．船舶，２０１１（０２）：５４—６１． 要动力、承力点和结构形状复杂的区域处均有较为 【３］肖杨婷，赵跃平，曹爽．国内外综合电力系统技术研究动 细密的网格，模型网格划分符合力学求解的要求。 态［Ｊ］．舰船科学技术，２０１０（８）：２４—２９． ２．２．２模型仿真分析 ［４］谢文会，谢彬．深水半潜式钻井平台典型节点强度研究【Ｊ］ ＿中国海上油气，２０１０，２２（４）：２６５—２６９． 在有限元仿真软件导入网格化处理的模型，并 根据实际吊装的载荷要求进行加载，分别进行了吊 ［５】蔡东升，刘荣桂．镇江电厂钢内筒吊装平台结构有限元分析 ｆＪ］．起重运输机械，２０１０（１）：４２—４４． 臂的屈服强度、综合位移和综合应变的仿真分析，分 【６】姚克恒，殷晨波．以ＡＮＳＹＳ为平台的塔式起重机臂架有限 析结果如图３所示。 元分析与关键技术研究［Ｊ］．现代制造工程，２００９（１２）：４７—５１． Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｋｅｙ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｌｉｆｔｉｎｇ ＰｌａｔｆＯｒｍ ＢＡＯ Ｘｉ—ｆｅｉ ．ＣＵＩ Ｘｉｎ—ｗｅｉ （１．Ｘｉｎｊｉａｎｇ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｕｒｕｍｑｉ ８３００５２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｓａｎｌｉ ｎｅｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１７６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ’Ｓ ｌｉｆｅ ｔｉｍｅ ｉｓ ａｂｏｕｔ ２０ ｔｏ ２５ ｙｅａｒｓ，ｔｈｅ ｐａｒｔｓ ｗｉｌｌ ｇｅｔ ａｇｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｃｈａｎｇｅ ｐａｒｔｓ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｗｈｅｎ ｕｐｇｒａｄｉｎｇ ｏｆ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｒ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅｓ，ｌｉｋｉｎｇ ｗｏｒｋ Ｃａｎ ｂｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｕｓｅ ｌｉｎｋａｇｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗｉｔｈ ＦＥＡ ｈｅｏｒｔｙ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ｈａｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｓｉｎｉｇｉｆｃａｎｔ ｆｏｒ ｈｅ ｔｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｔｏ ｃｈａｎｇｅ ｐａｒｔｓ ｏｒ ｕｐｇｒａｄｅ ｏｆ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｈｅ ｔｃｏｓｔ ｏｆ ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ｎｄ ｒａｅｆｏｒｍｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ；ｈａｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ；ＦＥＡ；ｉｎｔｅｎｓｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ １６８
